Grootschalige diefstal: Geologen zijn 1 miljard jaar kwijt

De rivier heeft hem naar de Grand Canyon gebracht, en in deze kloof ziet hij duidelijk de lagen gesteente. Zand, klei en kalksteen hebben zich sinds de begintijd van de planeet opgestapeld en hebben daarbij honderden miljoenen jaren lang overblijfselen van het leven op aarde opgeslagen.

Maar het gesteentearchief is verre van compleet. Powell heeft zojuist ontdekt dat er een tijdvak ontbreekt.

Nu, ruim 150 jaar later, weten onderzoekers dat Powells verschijnsel zich op elk continent voordoet en dat zijn ontbrekende tijdvak meer dan 1 miljard jaar van de geschiedenis van onze planeet uitmaakt – de periode van circa 1,8 tot 0,6 miljard jaar geleden.

Maar hoe kan de aarde zomaar 1 miljard jaar kwijt zijn? Wetenschappers zoeken al sinds Powells tijd naar de verklaring van de wereldwijde geologische diefstal. En pas nu zijn ze de dader op het spoor.

Hele aardbol werd beroofd

Powells ontdekking was het resultaat van zijn scherpe blik.

Normaal vormen zich voortdurend lagen gesteente op elkaar als zand, klei en kalksteen worden afgezet. De lagen komen ongeveer evenwijdig te liggen, zoals de lagen van een taart. Vervolgens kunnen de lagen kantelen als gevolg van de beweging van het bodemgesteente, maar ze blijven parallel.

In de Grand Canyon echter waren de onderste gesteentelagen sterk gekanteld, en de bovenste volkomen horizontaal. En in plaats van een vloeiende overgang met min of meer parallelle lagen was de overgang abrupt. Powell had dat meteen in de smiezen.

De vloeiende overgang tussen bodem en top moet bestaan hebben uit honderden meters gesteentelagen die in de loop van miljoenen jaren zijn gevormd. Maar dit alles was verdwenen.

Powell noemde het verschijnsel de Grote Discordantie. Latere geologen hebben de lagen gedateerd en vastgesteld dat er 175 miljoen jaar aardgeschiedenis ontbreekt, terwijl op andere plaatsen wel 1,6 miljard jaar aan gesteentelagen weg is.

Wat Powell niet wist, is dat de discrepantie een wereldwijd verschijnsel is. Slechts op enkele plaatsen zijn er overblijfselen gevonden van de ontbrekende jaren en daarmee van een van de meest unieke gebeurtenissen op aarde – het ontstaan van dieren.

Op alle continenten is te zien dat er gesteente ontbreekt, ook in Europa. Hier zien we de onderkant van Powells Grote Discordantie in het volkomen vlakke en verweerde gesteente dat grote delen van Zweden, Finland, Noorwegen en het noordwesten van Rusland bedekt.

En op alle plaatsen is ongeveer dezelfde periode verdwenen, die begint tussen de 2 en 1,5 miljard jaar geleden en eindigt rond de 600-550 miljoen jaar terug.

Het gevolg is dat wetenschappers maar heel weinig weten over wat er gedurende bijna een kwart van de geschiedenis van de aarde is gebeurd.

Koppig continent slijt weg

Wereldwijd is de hoeveelheid ontbrekend gesteente onmetelijk groot, dus het proces waarbij het is verdwenen moet zich over een zeer lange periode hebben afgespeeld. Wetenschappers zijn daarom op zoek naar een boosdoener die al honderden miljoenen jaren bestaat.

De aarde verandert voortdurend door haar tektonische activiteit. Constant vormen zich nieuwe oceanen en bergketens, en weinig geologische formaties overleven heel lang.

Toch zijn wetenschappers er in geslaagd verschillende kandidaten te vinden die op het juiste moment aanwezig waren en bovendien ruimschoots de tijd hadden voor de gesteentediefstal.

Een van de mogelijke daders is het supercontinent Nuna, ook wel Columbia genoemd. Geologen weten er maar weinig over, maar Nuna ontstond waarschijnlijk 1,8 miljard jaar geleden en heeft minstens 0,5 miljard jaar bestaan, twee keer zo lang als enig ander supercontinent in de geschiedenis van de aarde.

Door die lange levensduur was het hele oppervlak van de planeet betrekkelijk rustig en stabiel, in elk geval lang genoeg om gelijkmatig te kunnen verweren. Daardoor konden overal enorme hoeveelheden gesteente wegslijten.

De theorie zag er goed uit. Zo sluit het begintijdstip van Nuna bijna perfect aan op het begin van Powells Discordantie bij de rivier de Colorado. Maar naarmate de geologen meer bewijsmateriaal verzamelden, kwamen er leemten aan het licht.

Een Chinees onderzoek uit 2019 wijst bijvoorbeeld uit dat de gesteenten in China pas verweerden nadat Nuna al was opgebroken.

Bulldozer walst aarde plat

Met die leemten in de theorie zijn wetenschappers op zoek gegaan naar een andere dader. Hun blik viel onder meer op een krachtpatser die in recordtijd tonnen gesteente van de hele planeet zou kunnen verwijderen: een wereldwijde ijstijd.

IJs in de vorm van gletsjers is zo dik en zwaar dat het stroomt als een taaie massa, die alles wat hij op zijn weg tegenkomt platwalst. Tijdens de laatste ijstijd, die 11.700 jaar geleden eindigde, sleet het ijs de gesteenten van Noord-Scandinavië weg en werd het afgebroken materiaal naar het zuiden vervoerd, waar het nu het landoppervlak van Denemarken en zuidelijk Zweden vormt.

Tijdens een wereldwijde ijstijd is vrijwel al het land van de planeet bedekt met gletsjers, terwijl de oceanen schuilgaan onder zee-ijs.

Er zijn wereldwijde ijstijden geweest, maar één in het bijzonder – de Sturtische ijstijd, die 717 miljoen jaar geleden begon – heeft de belangstelling van geologen gewekt. De helft van al het water op aarde was toen tijdenlang bevroren.

Het ijs bedekte echter niet voortdurend de hele planeet – het klimaat schommelde tussen koude en iets mildere perioden. En pas 660 miljoen jaar geleden ontdooide het ijs helemaal.

De gletsjers gingen meer dan 55 miljoen jaar als bulldozers over het land, en hadden dus genoeg tijd om Powells Discordantie tot stand te brengen.

Volgens de Amerikaanse geoloog C. Brenhin Keller is de ijstijd de dader. Hij denkt dat de Sturtische ijstijd gemiddeld 1,6 kilometer van de bodem van de continenten in zee schoof. En in 2018 ging hij met een team collega’s op pad om de overblijfselen van de oude gesteenten te vinden.

Onderzoekers zijn dief op het spoor

In de oceanen op aarde vormt zich voortdurend nieuwe zeebodem doordat magma uit de aarde wordt opgepompt en stolt. Tegelijkertijd verdwijnt evenveel oude zeebodem onder de grond in grote scheuren, subductiezones genoemd, die meestal dicht langs continenten lopen.

Als een wereldwijde ijstijd 660 miljoen jaar geleden vermalen gesteente de zee in duwde, zou dat allang diep onder de grond zijn beland door de subductiezones. Maar C. Brenhin Keller wist dat het niet voor altijd verdwenen is.

Gesteenten bevatten vaak het mineraal zirkoon, dat zeer slijtvast is. Als het gesteente in de subductiezones wegzakt, kan het in het hart van de aarde omgesmolten worden en via vulkanische activiteit weer naar de zeebodem komen – en tijdens dit proces blijven de zirkonen onveranderd.

Daarom bestudeerden Keller en zijn collega’s zirkonen – 30.000 in totaal – uit de hele geschiedenis van de aarde. Zirkonen kunnen hun herkomst prijsgeven via twee van hun stoffen: hafnium en zuurstof.

Hafnium en zuurstof hebben allebei een aantal isotopen, en de verhouding daarvan laat zien of de zirkonen uit het buitenste deel van de aardkorst komen of in het binnenste van de aarde gevormd zijn.

Uit Kellers onderzoek bleek dat heel veel zirkonen uit het buitenste deel van de aardbol – hoogstwaarschijnlijk afkomstig van het oppervlak van de continenten – tijdens de Sturtische ijstijd op de zeebodem waren beland. De resultaten wezen ijs aan als de voornaamste gesteentedief.

Volgens andere onderzoekers kon het gletsjerijs echter niet zo’n uniform stempel op de hele aardbol drukken, omdat ijs soepel over sommige gebieden glijdt maar andere landmassa’s wegslijt

Een nieuw onderzoek van geoloog Michael DeLucia lijkt deze critici gelijk te geven. De afbraak van het gesteente is al lang voor de ijstijd begonnen.

Kristallen wijzen op nieuwe schurk

Michael DeLucia en zijn collega’s volgden in 2018 een nieuwe aanpak toen ze een rotsformatie in Missouri, VS, analyseerden die sterk lijkt op wat John Wesley Powell in de Grand Canyon zag.

Hier liggen 500 miljoen jaar oude gesteenten direct op 1,4 miljard jaar oud gesteente. Zoals C. Brenhin Keller bestudeerde ook DeLucia de zirkonen van de gesteenten, maar in plaats van naar hafnium en zuurstof keek hij naar helium.

In een zirkoonkristal vervallen uranium en thorium tot helium. Als het kristal diep onder de grond zit, waar de temperatuur hoog is, kan helium het kristal verlaten. Maar als het gesteente op de aardbodem is afgesleten, komt het zirkoon dichter bij het oppervlak. Dan daalt zijn temperatuur en kan helium niet meer ontsnappen.

Aan de hoeveelheid helium die zich in de kristallen heeft opgehoopt, kunnen wetenschappers dus zien wanneer het aardoppervlak werd afgebroken.

DeLucia gebruikte de zirkonen in de verschillende gesteentelagen om aan te tonen dat de dader van Powells Discordantie 850 miljoen jaar geleden met zijn diefstal begon – circa 80 miljoen jaar vóór de Sturtische ijstijd.

In het gebied dat nu de Amerikaanse staat Missouri is, werd het continent vanaf die tijd beroofd van minstens 6 kilometer gesteente.

Het nieuwe tijdstip valt samen met een andere belangrijke gebeurtenis in de geschiedenis van de aarde: het uiteenvallen van het supercontinent Rodinia. En volgens DeLucia is dat geen toeval.

Voordat een supercontinent uiteenvalt, komt het midden van de landmassa omhoog, en hoe hoger het landschap, hoe sneller het door weer en wind geërodeerd wordt. Dit zou een aanzienlijke erosie van de bodem veroorzaakt hebben.

Maar er klopt nog steeds iets niet.

Stukjes vallen op hun plaats

In Canada hebben geoloog Colin Sturrock en twee van zijn collega’s in 2021 een verrassende ontdekking gedaan. Volgens Sturrocks onderzoek is de oorzaak van de verdwijning van het gesteente in Canada een zogeheten manteldiapier.

Manteldiapieren zijn hete bellen in de aardmantel: de laag die onder de korst van de planeet ligt. De bellen kunnen honderden kilometers in doorsnee zijn en stijgen helemaal op vanaf de rand van de kern van de aarde op circa 2900 kilometer diepte.

Door de hoge temperatuur hebben de diapieren een lage dichtheid, waardoor de bellen opstijgen als kurken die boven water proberen te komen. Ze duwen dus van onderen tegen het aardoppervlak, waardoor het landschap hoger komt te liggen en kwetsbaarder wordt voor wind en weer.

Manteldiapieren veroorzaken dus meer erosie – maar die erosie is plaatselijk, en niet wereldwijd.

Net als Michael DeLucia gebruikte Sturrock het heliumgehalte van zirkonen om de afbraak van het gesteente te dateren. Zo bleek dat de gebeurtenis in Canada 650 miljoen jaar geleden plaatsvond – 200 miljoen jaar later dan waar DeLucia op uitkwam voor Missouri.

Volgens Sturrock ligt de verklaring voor de hand en kan deze eindelijk de vele tegenstrijdige bewijzen aan elkaar knopen: het misdrijf had meer dan één dader.

In Canada was het de manteldiapier en in Missouri was het het opbreken van Rodinia. En elders kunnen de Sturtische ijstijd of het langlevende supercontinent Nuna een belangrijke rol hebben gespeeld. Het schijnbaar uniforme verschijnsel is volgens Sturrock veroorzaakt door een combinatie van gewelddadige gebeurtenissen die honderden miljoenen jaren na elkaar plaatsvonden.

De theorie verklaart op elegante wijze waarom de timing van de gebeurtenissen niet overal op aarde dezelfde is. Maar niet alle wetenschappers zijn afgestapt van het idee dat één dader schuldiger is dan de andere.

Met DeLucia’s heliumtechniek en andere methoden onderzoeken ze nu misdaadplekken buiten Noord-Amerika, om nieuwe aanwijzingen te vinden in de grootste diefstal ooit – een zaak die begon met de eenvoudige observatie van John Wesley Powell in 1869.